JP5427901B2

JP5427901B2 - 電池

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Publication number: JP5427901B2
Application number: JP2012017869A
Authority: JP
Inventors: 正紀小暮
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2032-01-31
Also published as: JP2013157249A; US20130196228A1; CN203103381U

Description

本発明は、電池、特に電池性能及び安全性を向上した電池に関する。

電池には、放電のみ行う一次電池や充放電が可能な二次電池が存在する。これらは電極板、すなわち正極板および負極板がセパレータを介して積層された積層電極体を電池容器に密閉した構成であり、一般的に電池システムにおけるモータ等の電力負荷駆動用の電力供給のために使用される。
正極板又は負極板、すなわち電極板は、電池容器の内部からリベット打ち又はレーザ溶接等で、電池容器に形成された電極端子に電気的に接続且つ固定される（特許文献１及び特許文献２参照）。

特開２００１−１６０３８７号公報特開２００６−３２４１７８号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２の電池は、電極板に電気的に接続された板状のリードを電極端子に接続している。これら特許文献のリードは板状であるため、電極端子と電極板との間のいずれの箇所においても撓む構造である。従って、当該電池が自動車等の移動体に組み込まれた場合など、電池に振動が加えられる場合には、積層電極体が電池容器の内部で当該電池容器に対して上下に移動するなどし、リードが撓む場合がある。そして、リードが大きく撓むとリードが正極板と負極板とを電池容器の内部で電気的に接続する可能性や、電池容器が金属製の場合には、リードが電池容器に接触することで電池容器を介して正極板と負極板とを電気的に接続する可能性がある。かように正極板と負極板とが短絡すると、電池性能が劣化するのみならず、電池の安全性が低下する恐れがある。
そこで、本発明は、簡易な構成により当該課題を解決し、電池性能及び安全性を向上した電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電池は、電極板と、湾曲端面を備えた電極端子と、
前記電極板と前記電極端子とを電気的に接続する板状の接続部であって、前記電極端子と接続される側の一端が前記湾曲端面において該湾曲端面の形状に沿って物理的に接続された接続部と、を有し、前記接続部の前記湾曲端面に接続された側の直線部分は、当該直線部分の長さ方向に垂直な断面が湾曲した形状であることを特徴とする。

すなわち、この構成により、例えばリードなどの接続部が電極端子の湾曲端面の形状に沿って湾曲しているため、接続部の変形に対する強度を増すことができる。従って、上記振動によっても接続部の撓みを防止できる。

本発明の電池によれば、例えばリードなどの接続部の少なくとも一部が容易には撓まない構造となるため、上記短絡を防止し、電池性能及び安全性を向上した電池を提供することができる。

本発明の実施形態の電池の概要図である。図１（ａ）はＸＺ平面から＋Ｙ方向に見た電池の透視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ´線におけるＹＺ断面図である。本発明の実施形態の電池に使用される電極板の概要図である。図２（ａ）は正極板の概要図であり、図２（ｂ）は負極板の概要図である。本発明の実施形態の電池に使用される蓋の構成及び当該蓋への接続部（例えば、リード）のレーザ溶接を説明するための概要図である。図３（ａ）はＸＺ平面から見た蓋の概要図であり、図３（ｂ）はＸＹ平面から＋Ｚ方向に向かって見た当該蓋の概要図である。また、図３（ｃ）は図３（ｂ）のＢ−Ｂ´線における蓋の断面の位置におけるレーザ溶接装置の概要図であり、図３（ｄ）はアームの押圧点を説明するための概要図である。本発明の実施形態の電池に使用される接続部（例えば、リード）の斜視図である。本発明の実施形態の電池に使用される蓋の変形例を説明するための概要図である。図５（ａ）はＸＺ平面から見た蓋の概要図であり、図５（ｂ）はＸＹ平面から＋Ｚ方向に向かって見た当該蓋の概要図であり、図５（ｃ）はＹＺ平面から見た当該蓋の概要図である。

本発明の電池は、電極端子が湾曲した端面を備え、電極板と当該端面とを電気的に接続するための接続部（例えば、リード）の一端が、当該湾曲した端面に沿って湾曲して固定されていることを特徴の１つとしている。以下、図面を参照しながら、実施形態の電池につき詳述する。
なお、実施形態の電池としては、一次電池または二次電池等のいずれの電池でも用いることが可能であるが、ここでは電池の一例として、充放電可能な電池、例えば蓄電池であるリチウムイオン二次電池を用いて説明する。

本実施形態の電池１につき図を参照して説明する。図１（ａ）は、ＸＺ平面から＋Ｙ方向に見た電池の透視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ´線におけるＹＺ断面図である。
なお、以下で使用する図は、いずれも同一のＸＹＺ直交座標系を用いている。また、図１（ａ）は理解促進のための概要図であるため、図１（ｂ）に示した各構成が全て記載されているわけではない。

まず、電池１は、ＸＹ平面上に略矩形の形状の底面をもち且つ当該略矩形の全ての辺から＋Ｚ方向へ伸びる壁面をもつ角型の導電性（例えば、アルミニウム等の金属製）の容器本体２と、容器本体２に収納され且つ正極板３と負極板４とがセパレータ５を介して積層された積層電極体６と、積層電極体６を容器本体２に収納後に容器本体２を密閉する蓋７とを備えている（容器本体２と蓋７とがレーザ溶接等で密閉されて「電池容器」となる）。なお、図示しないものの、電池容器には電解液又は電解質が蓄えられる。
蓋７には、蓋７を貫通し且つ蓋７の両面のいずれからも出るように配置される電極端子（すなわち、正極端子８及び負極端子９）と、電極端子を蓋７に固定し且つ電極端子と蓋７との間を電気的に絶縁する絶縁性の樹脂１０（例えば、プラスチック樹脂等の絶縁体）が形成されている。蓋７のうち、電極端子と樹脂１０を除く部分は容器本体２と同一の導電性の材質であり、また、ここでは電極端子を円柱状の形状としている。もちろん、電極端子の形状は円柱状に限らず、四角柱状などの多角柱状としてもよい。
電極端子の電池容器内部の端面は、接続部１５を溶接して固定する端面であり、且つ、電極端子と電極板とを電気的に接続するための端面である。後述するように、当該端面は湾曲した形状の端面であり、また、リードなどの接続部１５が当該端面にレーザ溶接で固定される。

積層電極体６は、一例として、複数の正極板３と複数の負極板４とがセパレータ５を介して順次積層された積層型の積層電極体であるとして、以下説明する。
正極板３は、アルミニウム等の正極用金属箔（以下、「正極基材」ともいう）の両面にマンガン酸リチウム等の正極活物質が塗工された後、打ち抜かれて形成される。正極板３は、正極基材に正極活物質が塗工されている略矩形の部分（以下、「正極塗工部」１１という）と当該正極基材に正極活物質が塗工されていない略矩形の部分（以下、「正極タブ」１２という）とを備えている。正極タブ１２は、正極塗工部１１のＸ方向に長さを持つ２つの辺のうち、＋Ｚ方向にある辺に接続している。
これら正極塗工部１１と正極タブ１２との接続関係は、図２（ａ）に示すとおりである。
すなわち、正極塗工部１１は、Ｘ方向に寸法「Ｗ１」及びＺ方向に寸法「Ｗ２」の略矩形である。また、正極タブ１２は、Ｘ方向に寸法「Ｗ３」及びＺ方向に寸法「Ｗ４」の略矩形であって、正極塗工部１１のＸ方向の幅の中心からＺ方向へ仮想線（以下、「正極仮想線」という）を引いた場合に、正極仮想線より＋Ｘ方向に位置し且つ正極塗工部１１のＸ方向内側に位置し且つ正極塗工部１１に接続して一体となっている。従って、０＜Ｗ３＜｛（Ｗ１）÷２}である。

一方、負極板４は、銅等の負極用金属箔（以下、「負極基材」ともいう）の両面にカーボン等の負極活物質が塗工された後、打ち抜かれて形成される。負極板４は、負極基材に負極活物質が塗工されている略矩形の部分（以下、「負極塗工部」１３という）と当該負極基材に負極活物質が塗工されていない略矩形の部分（以下、「負極タブ」１４という）とを備えている。負極タブ１４は、負極塗工部１３のＸ方向に長さを持つ２つの辺のうち、＋Ｚ方向にある辺に接続している。
これら負極塗工部１３と負極タブ１４との接続関係は、図２（ｂ）に示すとおりである。
すなわち、負極塗工部１３は、Ｘ方向に寸法「Ｄ１」及びＺ方向に寸法「Ｄ２」の略矩形である。また、負極タブ１４は、Ｘ方向に寸法「Ｄ３」及びＺ方向に寸法「Ｄ４」の略矩形であって、負極塗工部１３のＸ方向の幅の中心からＺ方向へ仮想線（以下、「負極仮想線」という）を引いた場合に、負極仮想線より−Ｘ方向に位置し且つ負極塗工部１３のＸ方向内側に位置し且つ負極塗工部１３に接続して一体となっている。従って、０＜Ｄ３＜｛（Ｄ１）÷２}である。
負極塗工部１３のＸＺ平面における略矩形の寸法は、電池容器の内部に折れ曲がることなく収納される寸法、すなわち電池容器のＸＺ平面における内径より小さい。そして、負極塗工部１３のＸＺ平面における略矩形の寸法は、正極塗工部１１のＸＺ平面における略矩形の寸法よりも大きい。すなわち、０＜Ｗ１＜Ｄ１且つ０＜Ｗ２＜Ｄ２である。
従って、図１（ａ）に示すように、Ｙ方向から見て、正極塗工部１１は負極塗工部１３の面内に配置される。また、正極仮想線と負極仮想線とをＸＺ平面上で実質的に合わせて正極板３と負極板４とをセパレータを介して順次Ｙ方向に積層するので、負極タブ１４は、ＸＺ平面上で正極タブ１２と重ならない位置に配置される。

セパレータ５は、本実施形態では、図１（ｂ）に示すように、袋状のセパレータとしている。ここでは、袋状のセパレータの内部に電極板の塗工部全面（ここでは、負極塗工部１３の全面）が収められ且つ当該袋の内部から外部へ電極タブ（ここでは、正極タブ１２と負極タブ１４のうち、負極タブ１４）が飛び出している状態を「内包」という。
セパレータ５を袋状とすることで、負極板４が正極板３に接触することが十分に防止される。
もちろん、セパレータの寸法等を調整することで、かような防止の機能が達成できる場合には、必ずしも袋状である必要はない。従って、セパレータの形状を単に略矩形のシート状としてもよい。

そして、袋状のセパレータ５に内包された負極板４から積層を始め、当該負極板４のセパレータ５の上（すなわち、＋Ｙ方向）に正極板３を積層し、次に、当該正極板３の上（すなわち、＋Ｙ方向）に袋状のセパレータ５に内包された別の負極板４を積層する。この際、積層される複数の負極板４は、各々の負極タブ１４のＸＺ平面における位置を揃えて積層される。また、積層される複数の正極板３は、各々の正極タブ１２のＸＺ平面における位置を揃えて積層される。
これを順次繰り返し、最終的に複数の正極板３と複数の負極板４からなり且つＸ方向から見たＹ方向の両端に負極板４が配置される積層電極体６が形成される（図１（ｂ）参照）。なお、積層電極体６においては、上述した正極板３と負極板４との位置関係がずれないよう、図示しない絶縁テープで適宜固定される。

電極端子の上記湾曲した形状の端面（以下、「湾曲端面」という）と電極タブは、極性（すなわち、正極性または負極性）が一致する電極端子と電極タブとを電気的に接続するように、導電性の接続部１５（すなわち、正極用接続部１５ａ又は負極用接続部１５ｂ）で物理的に接続されている。具体的には、接続部１５として、正極基材と同一の金属且つ長方形状の正極用接続部１５ａと、負極基材と同一の金属且つ長方形状の負極用接続部１５ｂとを用いている。ここでは、正極用接続部１５ａの幅は寸法Ｗ３であり、負極用接続部１５ｂの幅は寸法Ｄ３であり、また、これら接続部１５はリードであるとして説明する。
電極端子の湾曲端面は、平面でなく且つ丸みを帯びた形状であって、中央部が縁より厚い凸レンズ状の曲面を備えた形状である。蓋７の裏面（すなわち、電池容器内部に位置する予定の面）を図３（ｂ）に示すが、電極端子８及び９に点線で等高線を示すように、電池１の電極端子の湾曲端面は、湾曲端面のいずれの縁に比べても湾曲端面の中央部が盛り上がっており、当該中央部から当該縁に向かって凸状のなだらかな曲線を描く形状（以下、「凸レンズ状の形状」という）である。
なお、レーザ溶接により接続部１５が電極端子に固定される際には、蓋７に対して、正極用接続部１５ａ及び負極用接続部１５ｂはそれぞれ二点鎖線で示される位置となるよう配置される。

電極端子の湾曲端面に沿って接続部１５が溶接されているので、接続部１５のうち、湾曲端面に物理的に接続している部分は、湾曲端面の形状に沿ってＵ字状に湾曲した形状となる。図４に接続部１５のみを電池１から抜き出して示すが、一点鎖線Ｃで示す部分が当該Ｕ字状に湾曲・変形した部分（以下、「湾曲部」という）である。接続部１５の他の部分は、実質的に平板状であり、レーザ溶接等で対応する電極タブと物理的に接続するために、Ｕ字状に折り曲げられている。
接続部１５の平板状の部分（以下、「平板部」という）は、電池１に振動が加えられた場合、容易に撓みうる。しかしながら、接続部１５の湾曲部は、Ｕ字状に曲げられているため、その形状が固定され、容易に撓むことができない。
詳しく説明すると、Ｕ字状に曲げられた接続部１５の「Ｕ」の２つの直線部分のうちの一方であって且つ電極端子に接続された側の直線部分に湾曲部が形成されることになる。そして、当該直線部分の長さ方向に垂直な断面を見ると湾曲部はそれ自体がＵ字状に曲げられているので、平板部に比べ変形に対して大きな強度を持ち、結果として当該直線部分の変形が困難となる。
このため、上記振動が電池１に加えられた場合に、当該直線部分に平板部のような撓みが発生しないので、接続部１５が電池容器に接触する可能性を低減させることができる。
なお、上述したとおり、接続部１５の一端は湾曲端面に溶接されるが、接続部１５の他端は電極タブにレーザ溶接等で固定される。この時、電極タブの一部であって且つ当該溶接等される部分と、接続部１５の一部であって且つ当該溶接される部分との位置関係は、Ｚ方向に見て、接続部１５の当該一部が電極タブの当該一部よりも下側（すなわち、−Ｚ方向）に位置するように、電池１の内部で配置される。これにより、電極タブの端部が電極板に接触するなどして、当該電極板が損傷することを防止できる。

電極端子の湾曲端面への接続部１５のレーザ溶接は、次のように行われる。
図３（ｃ）は、電池１に用いる蓋７を、レーザ溶接装置１６に固定してレーザ溶接する際の概要図であり、具体的には、図３（ｂ）のＢ−Ｂ´線における蓋７の断面の位置におけるレーザ溶接装置１６の概要図である。レーザ溶接装置１６は、蓋７を実質的に平行に支えるテーブル１７と、貫通孔２１と当該貫通孔の周囲に当該貫通孔と相似形の突縁部２２とを備えた板状のアーム１８と、レーザ光２０を当該貫通孔に向かって照射するレーザ装置１９とを備えている。
まず、電極端子等を備えた蓋７の裏面を上方に向けてテーブル１７に配置する。テーブル１７には凸部が適宜形成されており、蓋７は当該凸部により実質的に平行に支えられる。次に、図３（ｂ）に示した配置となるように接続部１５が電極端子の湾曲端面上に適切に配置され、アーム１８に形成された突縁部２２で、当該配置された接続部１５を湾曲端面に向かって押さえ込む。
突縁部２２は、接続部１５を介して湾曲端面の面内に圧力を加えることができるよう配置されている。また、突縁部２２が湾曲端面の中央部から縁に向かう方向に当該加えた圧力の分力を与えることができるように、突縁部２２の突起は当該中央部から当該縁に向かって傾けて形成される。ここでは、アーム１８の面のうち蓋７に向いた面（すなわち、アーム１８の裏面）の概要図である図３（ｄ）に示すように、アーム１８に形成された円形の貫通孔２１の周囲に、円形の突縁部２２が形成されている。
なお、当該突起が接続部１５に上記圧力を加える箇所がアーム１８の押圧点であり、上記圧力が突縁部２２のいずれの箇所でも同一となるよう、当該突起のアーム１８からの高さを突縁部２２のいずれの箇所でも同一としている。また、アーム１８及び突縁部２２は、溶接対象である接続部１５よりも溶融温度が高い金属または耐熱性の物質（例えば、セラミック）で形成している。さらに、突縁部２２は、アーム１８の他の部分と当初から一体に形成されてもよいし、別体して形成された後、固定される構成としてもよい。

アーム１８の突縁部２２により接続部１５が電極端子の湾曲端面上に加圧されると、電極端子の端面はそもそも平面ではなく湾曲端面であることから、接続部１５には、湾曲端面の中央部から縁全周に向かって押し広げられるような分力が与えられる。さらに、上述したように、突縁部２２の形状が、この分力をさらに強化する形状であることから、接続部１５には、湾曲端面の中央部からすべての縁に向かってさらに強く押し広げられるような分力が与えられる。
従って、接続部１５を、電極端子の湾曲端面の全面にきれいに接触させることが可能となる。
その後、図３（ｃ）に示すように、レーザ装置１９からアーム１８の貫通孔２１に向けてレーザ光２０を出射し、接続部１５を電極端子の湾曲端面に溶接する。図３（ｃ）の実線両矢印で示すように、レーザ装置１９の位置またはレーザ光２０の出射角を適宜調整することで、貫通孔２１を通して接続部１５の広範囲にレーザ光２０を入射し、当該範囲を溶接することができる。
なお、このとき、突縁部２２は当該溶接される接続部１５の周りを覆って配置されているので、接続部１５に当ったレーザ光の反射光による影響を防止することができる。すなわち、当該反射光が、突縁部２２と接続部１５との間を通り抜けてレーザ装置１９の他の部材に当たり、当該他の部材を溶融するなどの不具合の発生を防止することができる。

接続部１５が溶接される電極端子の端面が従来技術のように仮に平面であると、接続部１５をレーザ溶接する際、接続部１５が当該端面から浮いて離れるなどして当該端面にきれいに接触しないため、接続部１５を強固に電極端子に固定することが容易ではなかった。
しかしながら、上述したレーザ溶接装置１６によれば、電極端子の湾曲端面に接続部１５を押し広げて接触させるため、実質的に湾曲端面の全面にきれいに接続部１５が接触する。従って、接続部１５を強固に電極端子に固定することができる。

以上のとおり、本実施形態の電池１は、電極端子が湾曲端面を備え、湾曲端面に接続部１５を溶接するので、接続部１５が湾曲部を備えた直線部分を持つことになり、結果として、接続部１５が電池容器に接触することを防止することができる。
また、電極端子が湾曲端面を備えていることにより、接続部１５を湾曲端面にレーザ溶接する際、接続部１５をより強固に電極端子に固定することができる。

なお、以上において、接続部１５はリードとして説明したが、接続部１５を電極タブとしてもよい。この場合には、電極タブを直接的に電極端子の湾曲端面に溶接することとなる。
また、電極端子の湾曲端面の形状は、上述した凸レンズ状の形状でなくとも、図５に示すように蒲鉾状の形状としてもよい。この場合の蓋７の裏面を図５（ｂ）に示すが、電極端子８及び９に点線で等高線を示すように、電池１の電極端子の湾曲端面は、湾曲端面のＸ方向の両縁から湾曲端面の中央部に向かって山なりに盛り上がる形状である。蒲鉾状の形状であるので、Ｘ方向から当該蓋を見ると、図４の凸レンズ状の形状とは異なり、湾曲端面は山なりには見えない（図５（ｃ）参照）。そして、当該山の頂点である中央部を示す等高線の方向と接続部１５の長さ方向とを一致させることで、電極端子の湾曲端面が蒲鉾状の形状であっても、上述した効果を奏することができる。

本発明は上述した実施形態やその変形例、またはこれらの組み合わせに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない限りで種々の変形が可能である。例えば、電池容器の形状は角型として説明したが、円筒型であってもよい。同様に、積層電極体６は、複数の正極板と複数の負極板とがそれぞれセパレータを介して順次積層された積層電極体（積層型積層電極体）でもよいし、１つの正極板と１つの負極板とが１つのセパレータを介して積層され且つ巻かれた状態の積層電極体（捲回型積層電極体）でもよい。なお、積層電極体６が積層型積層電極体である場合には、正極板７と負極板１２の数は１以上、すなわち適宜複数に設計が可能である。

１…電池、２…容器本体、３…正極板、４…負極板、５…セパレータ、６…積層電極体、
７…蓋、８（８ａ）…正極端子、９（９ａ）…負極端子、１０…樹脂、
１１…正極塗工部、１２…正極タブ、１３…負極塗工部、１４…負極タブ、
１５（１５ａ、１５ｂ）…接続部
１６…レーザ溶接装置、１７…テーブル、１８…アーム、１９…レーザ装置、
２０…レーザ光、２１…貫通孔、２２…突縁部

Claims

電極板と、
湾曲端面を備えた電極端子と、
前記電極板と前記電極端子とを電気的に接続する板状の接続部であって、前記電極端子と接続される側の一端が前記湾曲端面において該湾曲端面の形状に沿って物理的に接続された接続部と、を有し、
前記接続部の前記湾曲端面に接続された側の直線部分は、当該直線部分の長さ方向に垂直な断面が湾曲した形状であることを特徴とする電池。
前記接続部は、前記湾曲端面の形状に沿って変形しつつ前記湾曲端面に物理的に接続されたことを特徴とする請求項１に記載の電池。
前記湾曲端面は、凸レンズ状の形状であることを特徴とする請求項２に記載の電池。
前記湾曲端面は、蒲鉾状の形状であることを特徴とする請求項２に記載の電池。
前記接続部は、リードであることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の電池。
前記接続部は、前記電極板に形成された電極タブであることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の電池。